村鎮(zhèn)形態(tài)要素對水體微氣候冷卻效應(yīng)的影響分析

吳 娛 彭昌海,2

(1東南大學(xué)建筑學(xué)院, 南京 210096)(2東南大學(xué)城市與建筑遺產(chǎn)保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210096)

處于夏熱冬冷地區(qū)的江南村鎮(zhèn)河網(wǎng)縱橫密集,水道、湖泊與村鎮(zhèn)的選址、總體布局及微氣候環(huán)境緊密相關(guān).水體除具有與觀賞、交通、生活相關(guān)的作用外,其區(qū)別于陸地面的物理特性體現(xiàn)出不可替代的生態(tài)效應(yīng)價(jià)值.首先,由于熱容量大、蒸發(fā)潛熱大及水面反射率小等特性,水體上空通常會(huì)形成特殊的微氣候,進(jìn)而對周圍環(huán)境的氣溫、相對濕度、風(fēng)速產(chǎn)生地域性、季相性與晝夜性產(chǎn)生影響[1].其次,水體作為開放空間,整體粗糙度小于建筑覆蓋區(qū)域,能夠形成風(fēng)道并提高風(fēng)速[2],從而改善村鎮(zhèn)自然通風(fēng)狀況,影響水體溫濕度效應(yīng)強(qiáng)度及傳播范圍[3].上述水體對于風(fēng)熱濕環(huán)境的影響,將以獨(dú)立或疊加的形式作用于人體,影響熱舒適狀況,進(jìn)而在物理與心理層面對微氣候環(huán)境產(chǎn)生影響.

建成環(huán)境的復(fù)雜性導(dǎo)致水體微氣候效應(yīng)隨局地環(huán)境特征變化而產(chǎn)生顯著差異.這種局地環(huán)境特征包括水體自身物理特征、外部空間特征及植被形態(tài)特征.其中水體自身物理特征主要包括水體形狀、面積、狀態(tài)、分布等.Sun等[4]探究了水體面積、幾何形狀、與城市中心的距離、周邊建成區(qū)比例與水體冷島效應(yīng)的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)水體面積影響最大.Syafii等[5]通過室外實(shí)體模型的熱環(huán)境測試,評估不同形態(tài)池塘水體對熱環(huán)境的影響,提出面積較大且與風(fēng)向平行的水體具有更好的冷卻效果.李孔清等[6]運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析水體對城鎮(zhèn)建筑風(fēng)熱濕環(huán)境的影響,得到了水體大小、離建筑物距離、來流溫濕度等因素與室內(nèi)相對濕度的量化關(guān)系.水體的微氣候調(diào)節(jié)性同樣受到外部空間與植被對其作用強(qiáng)度與傳播范圍的影響.Hathway等[7]發(fā)現(xiàn)城市河流周邊的建筑空間形態(tài)對水體緩解熱島效應(yīng)的效果存在一定影響,開放的街道和廣場更有利于河流對城市熱島效應(yīng)的緩解.宋曉程等[8]分析了北方濱水區(qū)建筑布局、容積率、堤岸高度、濱水間距和綠化對水體周邊環(huán)境中水蒸氣擴(kuò)散及溫度的影響,認(rèn)為容積率低且中部存在通風(fēng)廊道的濱水布局更有利于促進(jìn)水體的溫度調(diào)節(jié)作用.Shi等[9]通過實(shí)測和模擬證明了植被與水體存在協(xié)同冷卻效應(yīng),并且植物葉面積指數(shù)會(huì)對冷卻效果產(chǎn)生影響.Fung等[10]研究了夏季不同天氣狀況下水體對于草地?zé)岘h(huán)境的影響,發(fā)現(xiàn)存在樹木遮陰的水體會(huì)對草地?zé)岘h(huán)境產(chǎn)生更有益的影響.上述水體對室外微氣候影響的研究,大多聚焦于水體對城市熱島效應(yīng)的緩和作用,關(guān)于受自然條件與局地氣候環(huán)境影響更大的村鎮(zhèn)社區(qū)的相關(guān)研究則較少.村鎮(zhèn)的地形地貌、選址布局及空間形態(tài)與城市存在較大的差異,現(xiàn)有關(guān)于城市水體微氣候效應(yīng)的研究難以應(yīng)用于村鎮(zhèn).因此針對村鎮(zhèn)這類特殊的聚落形態(tài),水體的微氣候冷卻效應(yīng)尚待深入研究.

本文采用實(shí)測與模擬相結(jié)合的方法,以江蘇省宜興市周鐵鎮(zhèn)為例,研究了村鎮(zhèn)水體的氣溫冷卻效應(yīng).首先,對比分析了冬季與夏季、夜間與日間村鎮(zhèn)水體冷卻效應(yīng)的影響范圍與影響強(qiáng)度,得到了水體冷卻值的時(shí)空分布規(guī)律.然后,通過對模擬數(shù)據(jù)的定量分析,得出不同村鎮(zhèn)形態(tài)要素指標(biāo)對水體冷卻值的影響效果,構(gòu)建了各項(xiàng)形態(tài)要素指標(biāo)與水體冷卻值的多元線性回歸模型.

1 研究區(qū)域

宜興市地處江蘇省西南端,屬于夏熱冬冷地區(qū),全年溫暖濕潤,日照充足,主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng).受太湖水汽的影響,宜興降水量豐沛,年降水量約為1 229.9 mm[11].本研究所選取的周鐵鎮(zhèn)位于宜興市東北部與太湖鄰近的區(qū)域,屬于河網(wǎng)密布型平原村鎮(zhèn),水體空間對于該類村鎮(zhèn)來說至關(guān)重要.研究的具體范圍見圖1,與《宜興市村鎮(zhèn)布局規(guī)劃(2019版)》[12]中劃定的周鐵歷史鎮(zhèn)區(qū)范圍一致.圖中,Z0～Z9為10個(gè)測試點(diǎn).研究區(qū)域內(nèi)各項(xiàng)建筑與環(huán)境指標(biāo)見表1,為村鎮(zhèn)衛(wèi)星圖及CAD平面圖在ArcGIS軟件中的計(jì)算結(jié)果.該區(qū)域占地面積約為0.18 km2,建筑密度為44.95%,容積率為0.85,平均建筑高度為6.05 m,區(qū)別于其他非傳統(tǒng)聚落,具有鮮明的江南傳統(tǒng)聚落形態(tài)特征.村鎮(zhèn)中的水體率為8.96%,東西和南北方向的2條河流在村鎮(zhèn)中交叉分布.

圖1 研究區(qū)域與實(shí)測測點(diǎn)圖

2 研究方法

2.1 現(xiàn)場實(shí)測方案及儀器

為獲得準(zhǔn)確的村鎮(zhèn)氣候數(shù)據(jù),驗(yàn)證模擬結(jié)果的有效性,為后續(xù)數(shù)值模擬提供邊界條件,本研究于2020-12-21T09:00—17:00和2020-12-22T09:00—17:00在宜興市周鐵鎮(zhèn)進(jìn)行實(shí)地測試.測試時(shí)段內(nèi)天氣晴朗,風(fēng)速較為穩(wěn)定,且日照充足.參考標(biāo)準(zhǔn)[13]所描述的室內(nèi)外熱環(huán)境物理量的測量方法、測量范圍和精度要求,制定定點(diǎn)測試方案.測試儀器包括用于測量溫度、濕度和風(fēng)速的手持式氣象記錄儀,用于測量水體表面溫度的接觸式溫度表和用于測量村鎮(zhèn)周邊氣候環(huán)境的固定式氣象站,相關(guān)參數(shù)見表1.

表1 測試儀器及其相關(guān)參數(shù)

手持式氣象記錄儀的測量高度為距地面1.5 m,記錄間隔為1 min.所選測點(diǎn)均位于主要人行活動(dòng)空間中,并具有不同的空間特點(diǎn),能夠代表性地反映村鎮(zhèn)的空間類型(如公共廣場、街巷、院落空間等).測點(diǎn)與水體的最短距離均小于110 m,以保證其處于水體冷卻效應(yīng)的作用范圍內(nèi)[14].將鄰近水體的測點(diǎn)Z0和Z4作為水體空間微氣候數(shù)據(jù)的采集點(diǎn),在測點(diǎn)Z0處采用接觸式溫度表自動(dòng)記錄水體表面溫度,記錄間隔為1 min.選擇村鎮(zhèn)周邊無遮擋的點(diǎn)位架設(shè)固定式氣象站,每隔30 min記錄太陽輻射強(qiáng)度、空氣溫度、相對濕度、風(fēng)速和風(fēng)向角,以確定模擬的邊界條件.

2.2 數(shù)值模擬

本文采用ENVI-met軟件進(jìn)行數(shù)值模擬.該軟件基于計(jì)算流體力學(xué)、熱力學(xué)和城市氣象學(xué)等相關(guān)理論,主要用于模擬局地尺度的建筑、地表、植被和大氣之間的交互作用過程.采用三維非靜力不可壓縮流體Navier-Stokes方程求解風(fēng)場,其中的湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[15].目前,該軟件已廣泛應(yīng)用于評價(jià)水體與綠化空間對城市微氣候的影響[9,16-17].

利用ENVI-met軟件建立的簡化村鎮(zhèn)數(shù)值模型見圖2.計(jì)算網(wǎng)格長2 m,寬2 m,高1.5 m,計(jì)算域?qū)?94 m,長538 m,高60 m.設(shè)模型域的實(shí)際高度為h,計(jì)算域高度為5h,實(shí)際模擬范圍與研究范圍相比在4個(gè)邊界上各擴(kuò)大了10h,以還原實(shí)際村鎮(zhèn)中周邊環(huán)境的影響.模型中的建筑物、地表材質(zhì)參數(shù)等依據(jù)村鎮(zhèn)中的實(shí)際材質(zhì)種類設(shè)置,同時(shí)參考《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50176—2016)[18]與軟件ENVI-met內(nèi)置的材質(zhì)庫,具體屬性值見表2和表3.

圖2 簡化的村鎮(zhèn)數(shù)值模型

表2 建筑物材質(zhì)屬性設(shè)置

表3 地表材質(zhì)屬性設(shè)置

根據(jù)軟件ENVI-met的官方建議,模擬應(yīng)在日出之前開始,并且總運(yùn)行時(shí)間需大于6 h,以克服初始化的影響.因此,本研究的模擬均于前一日的4:00開始,于模擬日期的24:00結(jié)束,模擬時(shí)長共計(jì)44 h.依據(jù)24 h內(nèi)的天氣類型以及實(shí)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,采用2020-12-22測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬的有效性驗(yàn)證.輸入的邊界氣象數(shù)據(jù)依據(jù)村鎮(zhèn)周邊開敞處的氣象站設(shè)置(見表4和圖3(a)).太陽輻射數(shù)據(jù)通過軟件內(nèi)置的輻射模型計(jì)算,并依據(jù)實(shí)測太陽輻射值進(jìn)行系數(shù)校準(zhǔn).

表4 模擬邊界條件設(shè)置

(a) 2020-12-22

(b) 2021-01-29

(c) 2020-08-23

為進(jìn)一步研究冬季和夏季典型氣象日的水體冷卻效應(yīng),本文設(shè)置了冬季有/無水體和夏季有/無水體4種工況.由于周鐵鎮(zhèn)中地表面層大多由混凝土材質(zhì)鋪裝而成,并且在多數(shù)村鎮(zhèn)的新建過程中原水體區(qū)域常常被改造為混凝土或?yàn)r青路面,因此無水工況中的水體均用混凝土路面替代.模擬所采用的夏季與冬季典型氣象日參數(shù)由村鎮(zhèn)氣象站的實(shí)測數(shù)值計(jì)算得到,能夠代表該地區(qū)在本年度冬夏兩季最為典型的氣象狀況,計(jì)算方法參考《城市居住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 286—2013)[19],具體參數(shù)見表4、圖3(b)和(c).

2.3 相關(guān)指標(biāo)計(jì)算

2.3.1 水體冷卻值

已有研究[5,9-10]所計(jì)算的水體冷卻值通常為實(shí)測水體處氣溫與無水體參考點(diǎn)處氣溫的差值,但這種計(jì)算方法無法消除不同外部氣象條件與建成環(huán)境的影響,計(jì)算的冷卻值無法精確反應(yīng)水體對氣溫的影響.因此,本文通過模擬有/無水體2種工況的方法,將冷卻值定義為有水工況與無水工況的差值,以消除其他變量的影響.由于距地面1.5 m處的熱環(huán)境與行人活動(dòng)舒適度的關(guān)系最為密切,因此取該高度的氣溫進(jìn)行水體冷卻值計(jì)算.水體對空氣溫度的冷卻值計(jì)算公式為

ΔT=Tw-Tn

(1)

式中,Tw、Tn分別為有、無水工況下距地面1.5 m處的空氣溫度值.

2.3.2 村鎮(zhèn)形態(tài)要素指標(biāo)

在以往國內(nèi)外相關(guān)研究中選取的形態(tài)因子通常對微氣候有明顯影響作用,并且易于提取與量化,能夠在設(shè)計(jì)與改造中進(jìn)行調(diào)控.水體自身物理特征(如水體形狀、面積、分布等)是影響水體冷卻效應(yīng)的重要因素,能夠解釋水體冷卻程度變化的大部分原因;而水體外部空間與綠化特征同樣會(huì)對這種冷卻效應(yīng)產(chǎn)生促進(jìn)或抑制作用.

本文中選取的村鎮(zhèn)形態(tài)要素指標(biāo)如下:① 水體形態(tài)指標(biāo),包括水體率和水體距離.其中,水體率為研究范圍內(nèi)水體面積與研究范圍面積的比值;水體距離為測點(diǎn)與水體邊界的最近距離.② 綠化形態(tài)指標(biāo),由綠化率表示,是指研究范圍內(nèi)公共綠化面積與研究范圍面積的比值.③ 建筑空間形態(tài)指標(biāo),包括容積率、建筑密度、總墻體面積、平均建筑高度、建筑高度離散度和天空可視度.其中,容積率為研究范圍內(nèi)的總建筑面積與研究范圍面積的比值;建筑密度為研究范圍內(nèi)的總建筑基底面積與研究范圍面積的比值;總墻體面積為研究范圍內(nèi)建筑墻體面積的總和;平均建筑高度為研究范圍內(nèi)所有單體建筑高度的平均值;建筑高度離散度為研究范圍內(nèi)建筑高度的標(biāo)準(zhǔn)差;天空可視度為室外空間中未被遮擋的天空區(qū)域與半球天空面的比值.

依據(jù)村鎮(zhèn)衛(wèi)星圖與CAD總平面圖,通過地理信息系統(tǒng)(GIS)對各類指標(biāo)進(jìn)行提取.使用軟件ArcGIS中的緩沖區(qū)分析模塊,在每個(gè)測點(diǎn)周圍以150、100、50、40、30、20、10 m為半徑創(chuàng)建圓形緩沖區(qū).將緩沖區(qū)圖層與村鎮(zhèn)建筑、水體、綠化圖層進(jìn)行連接和相交處理,通過計(jì)算平均值、總和、方差的方式得出各類指標(biāo).此方法適用于計(jì)算水體率、容積率、建筑密度、總墻體面積、平均建筑高度和建筑高度離散度.水體距離采用軟件ArcGIS中的近鄰分析工具,統(tǒng)計(jì)每一測點(diǎn)距離水體邊界的最近距離.天空可視度(SVF)通過軟件ENVI-met的內(nèi)置模型計(jì)算,計(jì)算過程中考慮建筑與植被的影響.

2.4 多元回歸模型

為保證數(shù)據(jù)的全面性同時(shí)減少冗余,在研究范圍內(nèi)每隔20 m選取模擬數(shù)據(jù)測點(diǎn),使所取數(shù)據(jù)涵蓋不同的水體、綠化與建筑形態(tài)類型,同時(shí)又避免產(chǎn)生由于數(shù)據(jù)量過大而導(dǎo)致模型過擬合的情況.在研究范圍內(nèi)共取得360個(gè)測點(diǎn),按照2.3節(jié)中的指標(biāo)計(jì)算方法計(jì)算水體冷卻值及其對應(yīng)的村鎮(zhèn)形態(tài)要素指標(biāo).

在研究村鎮(zhèn)形態(tài)要素指標(biāo)與水體冷卻值的量化關(guān)系前,采用相關(guān)性分析方法對形態(tài)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析,以顯著性檢驗(yàn)中的p值和皮爾遜相關(guān)系數(shù)為判斷依據(jù),分析各項(xiàng)影響因子對水體冷卻值變化的顯著性和重要性.依據(jù)敏感性分析結(jié)果剔除不顯著相關(guān)的變量,再對存在嚴(yán)重共線性的指標(biāo)進(jìn)行剔除與精簡,將剩余變量通過逐步回歸的方法進(jìn)行多元回歸分析,從而建立一個(gè)包含不同類型形態(tài)指標(biāo)的精簡模型,以便在保留關(guān)鍵自變量的同時(shí)保持對因變量的最高解釋力度.

3 結(jié)果與分析

3.1 有效性驗(yàn)證

為驗(yàn)證模擬結(jié)果的有效性,除常用的回歸分析外,本文還采用均方根誤差(RMSE)、平均偏差誤差(MBE)、平均絕對誤差(MAE)進(jìn)行評估.MBE用于確定模擬值與實(shí)測值存在正偏差還是負(fù)偏差.MAE為模擬值與實(shí)測值之間絕對誤差的平均值,與RMSE一起用于評價(jià)模擬值和實(shí)測值之間的平均差距.

本研究對周鐵鎮(zhèn)中10個(gè)實(shí)測測點(diǎn)的空氣溫度、相對濕度進(jìn)行了測量值與模擬值的對比驗(yàn)證,每個(gè)參數(shù)的驗(yàn)證均基于81對實(shí)測值與模擬值.由于本研究重點(diǎn)關(guān)注水體的微氣候效應(yīng),因此對水體表面溫度也進(jìn)行了驗(yàn)證.

圖4為實(shí)測值與模擬值的回歸分析曲線.測點(diǎn)Z0的水體表面溫度線性回歸決定系數(shù)R2、RSME值、MBE值、MAE值分別為0.78、1.48、-1.34、1.34.表5為單個(gè)測點(diǎn)與所有測點(diǎn)的空氣溫度和相對濕度誤差評估結(jié)果.文獻(xiàn)[20]指出,R2>0.69的模擬結(jié)果通常能夠準(zhǔn)確預(yù)估實(shí)際測量值.通過回歸分析可知,空氣溫度、相對濕度、水體表面溫度的R2均大于0.69,表明模擬值與實(shí)測值之間具有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系.此外,所有測點(diǎn)的空氣溫度與相對濕度RSME值分別為0.78 ℃和5.54%,水體表面溫度RSME值為1.48 ℃,均在可接受范圍內(nèi).

(a) 空氣溫度

(b) 相對濕度

(c) 水體表面溫度

模擬結(jié)果的誤差主要體現(xiàn)在趨勢和數(shù)值差異2個(gè)方面.從趨勢來看,以圖5中測點(diǎn)Z6的實(shí)測值與模擬值變化為例,軟件ENVI-met無法精確捕捉測試點(diǎn)被陰影遮蔽的瞬時(shí)狀態(tài),并將其反映到氣溫變化上,因此氣溫隨時(shí)間的變化幅度小于實(shí)測值.從數(shù)值上看,氣溫的MBE值除測點(diǎn)Z2和Z5外均為負(fù)值,相對濕度的MBE值除測點(diǎn)Z2外均為正值,表明軟件ENVI-met會(huì)低估溫度和高估相對濕度.水體溫度的MBE值均為負(fù)值,且大于空氣溫度,說明模擬結(jié)果會(huì)低估水體溫度,從而高估水體對于空氣溫度的冷卻效應(yīng).

綜上可知,實(shí)測結(jié)果與模擬結(jié)果存在一定的差異,但軟件ENVI-met的模擬結(jié)果仍可以再現(xiàn)村鎮(zhèn)內(nèi)部微氣候時(shí)空分布的重要特征.

表5 空氣溫度模擬誤差評估

圖5 測點(diǎn)Z6的空氣溫度實(shí)測值與模擬值對比

3.2 水體微氣候冷卻效應(yīng)分析

本文將各時(shí)刻研究范圍內(nèi)的冷卻值劃分為7個(gè)區(qū)間,統(tǒng)計(jì)每個(gè)冷卻值區(qū)間所對應(yīng)的空間面積占比,作為該冷卻值區(qū)間的空間比率.同時(shí)，統(tǒng)計(jì)各時(shí)刻研究范圍內(nèi)ΔT的最小值ΔTmin以及平均值ΔTave,結(jié)果見圖6.由圖可知,冬、夏兩季水體的存在均會(huì)使得周邊區(qū)域的空氣溫度降低,但針對不同季節(jié)和時(shí)刻、不同水體布局以及村鎮(zhèn)形態(tài),冷卻范圍和強(qiáng)度會(huì)表現(xiàn)出一定的差異.

由圖6(a)可知,冬季研究范圍內(nèi)ΔTmin在14:00達(dá)到全天最小值-1.247 ℃,在7:00達(dá)到全天最大值-0.372 ℃;ΔTave在14:00達(dá)到全天最小值-0.188 ℃,在7:00達(dá)到全天最大值-0.063 ℃.從ΔT的逐時(shí)空間比率分布來看,73%～93%區(qū)域的ΔT處于-0.2～0 ℃之間,并且最多僅有2%區(qū)域的ΔT達(dá)到-1 ℃以下,說明在冬季水體對空氣溫度的冷卻效應(yīng)只集中在較小的空間范圍內(nèi),且冷卻強(qiáng)度較小.

由圖6(b)可知,夏季研究范圍內(nèi)ΔTmin在12:00達(dá)到全天最小值-2.341 ℃,在6:00達(dá)到全天最大值-0.572 ℃;ΔTave在14:00達(dá)到全天最小值-0.323 ℃,在6:00達(dá)到全天最大值-0.107 ℃.從ΔT的逐時(shí)空間比率分布來看,57%～87%區(qū)域的ΔT處于-0.2～0 ℃之間,并且在9:00—17:00有5%以上的區(qū)域ΔT<-1 ℃,表明夏季的冷卻強(qiáng)度與范圍明顯大于冬季,日間的冷卻強(qiáng)度與范圍明顯大于夜間.

綜上所述,在四肢骨折后關(guān)節(jié)僵硬患者康復(fù)中應(yīng)用針對性護(hù)理,可有效改善關(guān)節(jié)活動(dòng)度,有利于構(gòu)建和諧護(hù)患關(guān)系。

為探究同一季節(jié)相同時(shí)刻的ΔT分布,以夏季典型氣象日15:00的模擬數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析.將水體區(qū)域設(shè)為焦點(diǎn)區(qū)域,沿南北方向選取觀測線L1,沿東西方向選取觀測線L2,觀測線位置見圖7.由圖可知,水體對氣溫的冷卻范圍遠(yuǎn)大于水體所在的區(qū)域,并且隨著向村鎮(zhèn)內(nèi)部的擴(kuò)展,冷卻強(qiáng)度逐漸下降.圖8給出了觀測線L1、L2上的ΔT分布.由圖可知,觀測線L1上的冷卻強(qiáng)度明顯大于L2,且處于上風(fēng)向的冷卻強(qiáng)度和范圍均小于下風(fēng)向.由圖8(b)可知,觀測線L1上的水體與夏季主導(dǎo)風(fēng)向形成了風(fēng)速較大的通風(fēng)廊道,而風(fēng)速的增大可增強(qiáng)水體的蒸發(fā)冷卻效應(yīng)以及水體與周圍空氣之間的對流換熱,導(dǎo)致冷卻強(qiáng)度增大;觀測線L2上的水體周邊建筑密集,且與主導(dǎo)風(fēng)向的夾角較大,導(dǎo)致水面上空風(fēng)速較小,冷卻強(qiáng)度隨之降低.由此可知,風(fēng)速風(fēng)向?qū)τ谒w的冷卻效果和范圍存在較大影響.

(a) 冬季典型氣象日

(b)夏季典型氣象日

圖6 ΔT逐時(shí)空間比率分布圖

(a) ΔT空間分布

(b) 風(fēng)速風(fēng)向分布

(a) L1

(b) L2

3.3 水體冷卻值影響要素量化分析

為了進(jìn)一步探究不同季節(jié)、不同時(shí)刻村鎮(zhèn)形態(tài)要素與水體冷卻值的量化關(guān)系,將測點(diǎn)的Δt數(shù)據(jù)劃分為冬季日間(8:00—17:00)、冬季夜間(17:00—8:00)、夏季日間(7:00—18:00)、夏季夜間(18:00—7:00),分別計(jì)算冬季日間平均冷卻值ΔTwd和冬季夜間平均冷卻值ΔTwn、夏季日間平均冷卻值ΔTsd和夏季夜間平均冷卻值ΔTsn,并將其與對應(yīng)的村鎮(zhèn)形態(tài)要素指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析.

表6給出了不同計(jì)算半徑r時(shí)水體率指標(biāo)與平均冷卻值的相關(guān)系數(shù).統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,平均冷卻值與水體率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為-0.722～-0.389.平均冷卻值與水體距離呈正相關(guān)關(guān)系,與ΔTwd、ΔTwn、ΔTsd、ΔTsn的相關(guān)系數(shù)分別為0.435、0.379、0.468、0.421.水體率和水體距離是影響水體冷卻值的2個(gè)重要指標(biāo).對于不同分類的平均冷卻值而言,夏季的相關(guān)性高于冬季,日間的相關(guān)性高于夜間.ΔTwd、ΔTsd、ΔTsn與r=20 m時(shí)的水體率相關(guān)性最高,ΔTwn與r=30 m時(shí)的水體率相關(guān)性最高.

表6 水體率與平均冷卻值的相關(guān)系數(shù)

表7給出了不同計(jì)算半徑時(shí)綠化率指標(biāo)與平均冷卻值的相關(guān)系數(shù).由表可知,平均冷卻值與r>20 m時(shí)的綠化率指標(biāo)存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系.其中,夏季的相關(guān)性高于冬季,日間和夜間的相關(guān)性差異較小,并且ΔTwd、ΔTwn、ΔTsd、ΔTsn均與r=150 m時(shí)的綠化率相關(guān)性最高.

表8給出了不同計(jì)算半徑時(shí)建筑指標(biāo)與平均冷卻值的相關(guān)系數(shù).由表可知,平均冷卻值與所有計(jì)算半徑下的容積率、建筑密度、總墻體面積均呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系,與r=150,10 m時(shí)的建筑高度離散度呈正相關(guān),與r=150,100，50，40，30，10 m時(shí)的平均建筑高度呈負(fù)相關(guān).平均冷卻值與SVF呈較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系,與ΔTwd、ΔTwn、ΔTsd、ΔTsn的相關(guān)系數(shù)分別為-0.520、-0.458、-0.533、-0.480.對于不同分類的平均冷卻值而言,每個(gè)建筑指標(biāo)的最大相關(guān)半徑不盡相同.

表7 綠化率與平均冷卻值的相關(guān)系數(shù)

在完成上述相關(guān)性分析后,利用所選村鎮(zhèn)形態(tài)要素指標(biāo)構(gòu)建水體冷卻值的多元線性回歸模型.首先篩選出p<0.01的指標(biāo),但其中一些指標(biāo)之間仍存在嚴(yán)重共線性問題,如容積率與建筑密度、水體率與水體距離.根據(jù)上述指標(biāo)的皮爾遜相關(guān)系數(shù),剔除容積率、總墻體面積、水體距離等與水體冷卻值相關(guān)性較弱的指標(biāo).然后，將剩余指標(biāo)輸入多元回歸模型,通過逐步回歸的方法,得出多元線性回歸模型為

ΔTwd=-0.47W20-0.448G150+0.12B50-

0.058H50+0.219

(2)

0.038H50+0.132

(3)

ΔTsd=-0.871W20-0.911G150+0.195B40-

0.083H40+0.304

(4)

ΔTsn=-0.403W20-0.57G150+0.142B50-

0.07H50+0.246

(5)

式中,W20為r=20 m時(shí)的水體率;G150為r=150 m時(shí)的綠化率;B50,B40分別為r=50,40 m時(shí)的建筑密度;H50、H40分別為r=50,40 m時(shí)的平均建筑高度.

表9給出了多元線性回歸模型的各項(xiàng)參數(shù).由表可知,各個(gè)自變量在t檢驗(yàn)中的p值均小于0.05,表明模型的回歸系數(shù)均具有顯著性;共線性檢驗(yàn)中的方差膨脹系數(shù)V均小于5,表明模型不存在多重共線性問題;在模型方差檢驗(yàn)中的p值均小于0.01,表明該模型具有極顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.由各個(gè)模型的R2可知,各項(xiàng)形態(tài)要素對ΔTwd、ΔTwn、ΔTsd、ΔTsn的解釋度分別為59.7%、52.1%、62.2%、53.6%,其中ΔTsd的模型擬合度最高.

通過對比各模型的標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)可以發(fā)現(xiàn),各個(gè)因素對冷卻值的影響程度由大到小依次為水體率、平均建筑高度、綠化率、建筑密度.隨著水體率、平均建筑高度、綠化率的增大以及建筑密度的減小,平均冷卻值不斷減小,水體冷卻強(qiáng)度不斷增大.對于不同季節(jié)、不同時(shí)刻的回歸結(jié)果而言,水體率對于日間冷卻值的影響程度大于夜間,對于夏季冷卻值的影響程度大于冬季.

表8 建筑指標(biāo)與平均冷卻值的相關(guān)系數(shù)

表9 村鎮(zhèn)形態(tài)要素與水體冷卻值多元回歸模型綜合分析

3.4 分析與討論

通過對水體冷卻效應(yīng)的時(shí)空分布特征分析發(fā)現(xiàn),夏季的冷卻范圍及強(qiáng)度大于冬季,日間的冷卻范圍及強(qiáng)度大于夜間.這也印證了Fung等[10]的研究成果:天氣狀況會(huì)對水體冷卻效果產(chǎn)生一定的影響,太陽輻射強(qiáng)度達(dá)到一定閾值是實(shí)現(xiàn)水體冷卻效果的必要條件.此外,風(fēng)向風(fēng)速也會(huì)對水體的冷卻范圍和強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響,風(fēng)速的增大會(huì)加強(qiáng)這種冷卻效應(yīng),而風(fēng)向則會(huì)影響冷卻效應(yīng)的空間分布.

除氣象要素以外,r>20 m時(shí)的綠化率指標(biāo)與冷卻值存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系,說明綠化的存在能夠增強(qiáng)水體冷卻效果.這與文獻(xiàn)[9]的結(jié)論一致:藍(lán)綠空間的冷卻效果會(huì)超過單獨(dú)存在的植被或水體,這種現(xiàn)象被稱為綠化與水體產(chǎn)生的協(xié)同冷卻效應(yīng).綠化空間相比建筑空間而言較為空曠,對風(fēng)的阻擋作用較小,而水體對空氣溫度的影響主要是通過空氣對流來傳播的,因此綠化的存在能夠增大水體冷卻效應(yīng)的傳播范圍.

建筑形態(tài)要素往往通過對風(fēng)速的作用,間接影響水體冷卻效應(yīng).文獻(xiàn)[8]指出,容積率較低且中部存在較為寬敞通風(fēng)廊道的濱水布局通常更利于水體對于建成區(qū)域的溫度調(diào)節(jié).本文結(jié)果表明，建筑容量指標(biāo)中的容積率、建筑密度與冷卻值呈正相關(guān)關(guān)系.究其原因在于,建筑物的存在會(huì)減弱風(fēng)速,從而削減水體的冷卻效果;在建筑較為密集的區(qū)域,大量的建筑陰影已提供了較強(qiáng)的冷卻效果,水體的冷卻效果隨之被削減.建筑豎向指標(biāo)中的平均高度與冷卻值呈負(fù)相關(guān),說明平均高度越高,冷卻值越小,冷卻強(qiáng)度越大;這是因?yàn)樵诮ㄖ萘肯嗤膮^(qū)域,建筑高度的增大往往導(dǎo)致風(fēng)速增大,從而影響水體的冷卻效果.

以往研究大多從定性描述的角度出發(fā),得出濱水空間形態(tài)對水體冷卻效應(yīng)的影響規(guī)律;本文則量化了各項(xiàng)村鎮(zhèn)形態(tài)要素對于水體冷卻效應(yīng)的影響,對比分析了這些要素之間的影響程度.本文提出的水體冷卻值多元回歸模型能夠在設(shè)計(jì)初期為村鎮(zhèn)水體空間的設(shè)計(jì)與改造提供微氣候?qū)用娴募夹g(shù)支撐.設(shè)計(jì)者可以根據(jù)不同的既有村鎮(zhèn)形態(tài)合理設(shè)置水體形態(tài),利用水體冷卻效應(yīng)人為地控制與調(diào)整村鎮(zhèn)的微氣候環(huán)境,并使該調(diào)控手段發(fā)揮最大效益.在水體形態(tài)不易被改造的情況下,設(shè)計(jì)者可以通過改變建筑與綠化形態(tài),來增強(qiáng)或削減水體的冷卻效應(yīng),從而達(dá)到改善室外熱舒適與減小建筑能耗的目的.然而,回歸模型中的形態(tài)要素指標(biāo)并不能完全解釋水體冷卻值的變化;這是因?yàn)轱L(fēng)速風(fēng)向?qū)λw冷卻效應(yīng)的空間分布有較大影響,但村鎮(zhèn)形態(tài)要素與風(fēng)速風(fēng)向的關(guān)系較難被量化為形態(tài)參數(shù)置入回歸方程中.因此,后續(xù)需要繼續(xù)研究形態(tài)參數(shù)計(jì)算方法,以提升模型的計(jì)算精度.

4 結(jié)論

1) 水體冷卻效應(yīng)隨季節(jié)變化、晝夜交替而發(fā)生改變.水體的夏季冷卻效果及范圍明顯大于冬季,日間冷卻效果及范圍大于夜間.

2) 風(fēng)向風(fēng)速影響水體冷卻值在村鎮(zhèn)中的空間分布.能夠與主導(dǎo)風(fēng)向形成通風(fēng)廊道的水體具有較強(qiáng)的冷卻效果,而走向與主導(dǎo)風(fēng)向夾角較大的水體則表現(xiàn)較弱的冷卻效果.水體下風(fēng)向的冷卻強(qiáng)度及范圍通常大于上風(fēng)向.

3) 通過量化分析村鎮(zhèn)形態(tài)要素與水體冷卻值的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn),水體率與水體距離是影響水體冷卻值的重要因素.隨著村鎮(zhèn)空間水體率的增加以及水體距離的減小,水體冷卻強(qiáng)度不斷增大.建筑形態(tài)和綠化指標(biāo)同樣會(huì)對冷卻值產(chǎn)生影響,水體周邊環(huán)境中的綠化率越大、建筑密度越小,水體冷卻強(qiáng)度越大.

4) 適當(dāng)?shù)乃w空間設(shè)置能夠改善村鎮(zhèn)的微氣候環(huán)境,提高人體室外熱舒適性,同時(shí)有利于周圍建筑節(jié)能.對于水體自身而言,面積大且與風(fēng)向平行布置的水體具有較強(qiáng)的冷卻效果;對于外部空間環(huán)境而言,建筑密度低、天空開闊度大的周邊環(huán)境空間形態(tài),能夠增大水體冷卻效應(yīng)的傳播范圍;對于植被特征而言,增大水體周邊植被覆蓋率有利于產(chǎn)生水綠協(xié)同冷卻效應(yīng),進(jìn)一步增強(qiáng)冷卻效果.因此,在實(shí)踐過程中,設(shè)計(jì)人員應(yīng)從村鎮(zhèn)整體環(huán)境出發(fā)看待水體的冷卻效果.將不同的空間要素合理地與水體要素組合在一起,才能實(shí)現(xiàn)最佳的微氣候調(diào)節(jié)效果,進(jìn)而創(chuàng)造更宜居的村鎮(zhèn)室外空間.